Bolygómozgások más csillagok körül Érdi Bálint ELTE Csillagászati

Bolygómozgások más csillagok körül Érdi Bálint ELTE Csillagászati Tanszék HD 69830 HD 188753 PSR B 1620 -26 c

Giordano Bruno (1548 -1600) Párbeszéd a végtelenről, a világ egységéről és a világokról Galilei (1564 -1642) Kepler (1571 -1630) Dissertatio cum Nuncio Sidereo (1610) „…most már nem valószínűtlen, hogy nemcsak a Hold, hanem még a Jupiter is lakott… „

G. V. Schiaparelli (1877) Mars-térképek: canali Percival Lowell (1855 -1916) 1891 Francia Akadémia díja: 100 000 frank

Első Naprendszeren kívüli bolygó: 1995. október 6. Michel Mayor, Didier Queloz, Univ. de Geneve 51 Pegasi (G 2, m=1. 11 m R=1. 266 R T=5793 K) S S

1992 A. Wolszczan, D. Frail: 1993 3 bolygó a PSR 1257+12 pulzár körül 1988 B. Campbell, G. A. H. Walker, S. Yang: 1989 bolygó a Gamma Cephei körül 1990 RV mérés, bizonytalan 1991 2003 -ban megerősítették: Hatzer et al. 1960 P. van de Kamp 1961 bolygók a Barnard csillag körül 1855 W. S. Jacob: bolygó a 70 Ophiuci körül 1856 F. R. Moulton: a hármas rendszer instabil

Exobolygók Naprendszeren kívüli, más csillagok körüli bolygók 2009. április 10. : 344 exobolygó 292 bolygórendszerben 37 többes rendszer 25 kettes 10 hármas 1 négyes HD 160691 1 ötös 55 Cnc

Megfigyelési programok Föld felszíni: 55 működő 22 tervezett 2 befejezett Legeredményesebbek: California & Carnegie Planet Search: 121 exobolygó! Anglo-Australian Planet Search Program: 25 exobolygó Coralie+Elodie of Geneva Observatory: 11 exobolygó HATNet (Hungarian Automated Telescope Network): 11 exobolygó Bakos Gáspár 6 db 11 cm-es 8 x 8 fokos látómezejű távcső Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Űrprogramok: 5 működő, 14 tervezett Működő programok: Co. Ro. T (Convection, Rotation and Transits) felbocsátás 2006. december 27 -én 60 000 csillag megfigyelése 7 exobolygó felfedezése köztük az eddigi legnagyobb: Co. Ro. T-Exo-3 b 21, 6 Jupiter-tömeg

és az eddigi legkisebb: 2009. február Co. Ro. T-Exo-7 b D =1. 7 D F kőzetbolygó P=20 óra T=1000 -1500 C HST (Hubble Space Telescope): 2002, asztrometria, Gliese 876 b Spitzer Space Telescope: bolygók termális emissziója

Legújabb program: Kepler (NASA): 2009. március 6. 10. 48 pm EST 100 000 csillag

Tervezett programok: Gaia (ESA): 2011. december 1 milliárd csillag pozíció és RV James Webb Space Telescope: 2013 infravörös képalkotás Darwin 2015 Terrestrial Planet Finder (TPF): bizonytalan időre elhalasztva

Megfigyelési módszerek • asztrometria • radiális sebességmérés • átvonulási fotometria • gravitációs mikrolencse • cirkumsztelláris porkorong • direkt képalkotás

Asztrometria mérések az 1950 -es évek óta: sikertelen 33 fényévről a Nap mozgásának amplitúdója 0, 002 ívmásodperc 2002 Hubble űrtávcső: Gliese 876 egyik már ismert bolygóját megmérte 876 b

Radiális sebességmérés Pontosság: 1 m/s Első exobolygó HARP spektrométer, ESO, 3. 6 m 51 Pegasi HIRES, Keck Obszervatórium 1995. október 6. Legtöbb bolygót ezzel a módszerrel M. Mayor, D. Queloz fedezték fel (318 bolygóra van RV) Nap esetében: 12 m/s (Jupiter hatása) Hátránya: tömeget nem ad, mert a pályahajlást nem ismerjük

Átvonulási fotometria Merkúr átvonulás OGLE-TR-113 OGLE-TR-132 Igen forró „Jupiter”ek Óriásbolygók Csökkenés: 2 % lehet Előnye: RV méréssel együtt pontos paraméterek Igen közel a *-hoz P<2 nap (58 bolygóra van átvonulási mérés) Hátrányai: csak akkor alkalmazható, ha a keringési sík a látórányba esik; más is okozhat fényességcsökkenést Bolygó hőmérsékletének meghatározása: 2005 SPITZER: Tr. ES-1 790 C fok HD 209458 b 860 C fok

Gravitációs mikrolencse Gravitációs lencsehatás, melyhez bolygó is hozzájárul OGLE program (Optical Gravitational Lensing Experiment) >1000 megfigyelt eset 8 exobolygó Hátránya: megfigyelés nem ismételhető Előnye: Föld-méretű bolygó is észlelhető OGLE-2005 -BLG-390 Lb kis tömegű: 5, 5 Föld-tömeg legtávolabbi bolygó: 21 500 fényév leghidegebb: -220 C fok

Cirkumsztelláris porkorong Infravörösben észlelhető HST, Spitzer Space Telescope Kis égitestek jelenlétére utal Naphoz hasonló közeli csillagok 15%-ánál megfigyelték Belső perem ~ 133 AU Külső perem ~ 158 AU Bolygó ~ 119 AU

Direkt képalkotás Bolygó fénye gyenge, csillag túlragyogja Lefényképezhető, ha • nagyméretű • távol van a csillagtól • fiatal (inravörösben erősen sugároz) Első lefényképezett exobolygó! További felvételek: összesen 11 2004 július, ESO, VLT, Chile: GQ Lupi b, AB Pictoris b 2 M 1207 b SCR 1845 (barna törpék? ) m=4 MJ a=41 AU GQ Lupi b

Fomalhaut b: első bolygó látható fényben P. Kalas 2008. május, HST felvételek HR 8799: első közvetlenül észlelt bolygórendszer C. Marois 2008. november, Keck, Gemini infravörös észlelések

Különleges esetek: legöregebb: PSR B 1620 -26 b: 13 milliárd év pulzár+fehér törpe körül kering legtávolabbi: OGLE-2005 -BLG-390 Lb: 21 500 fényév leghidegebb: ugyanez: -220 C fok legkisebb: HD 40307 b: 4 Föld-tömeg, 0, 047 AU-ra (eddig 8 szuper-Föld: kisebb 10 Föld-tömegnél) legnagyobb: Co. Ro. T Exo 3 b: 21, 6 Jupiter-tömeg legkisebb tömegű transit bolygó: HAT-P-10 b: 0, 46 Jupiter-tömeg 2008. szeptember vízpára első észlelése: 2007, HD 189733 b első szerves molekula észlelése: 2008. márc. 20. metán HD 189733 b Co. Ro. T-Exo-7 b: első kőzetbolygó 2009. február

Exobolygók tulajdonságai Nagy tömeg Közeli pályák (Forró Jupiterek) Nagy excentricitás

Fő kutatási területek: megfigyelési módszerek csillagok asztrofizikai jellemzői bolygók keletkezése bolygó-protoplanetáris korong kölcsönhatás migráció bolygók légköre bolygórendszerek dinamikája

Dinamikai osztályozás Több bolygót tartalmazó rendszerekben gravitációs kölcsönhatás erőssége alapján Barnes & Quinn (2004) Beaugé et al. (2005), Ferraz-Mello et al. (2005) I. osztály I: P 2/P 1<3 a: Bolygók rezonáns pályákon b: Kis excentricitású, közel rezonáns párok II. osztály: P 2/P 1<10 Kölcsönható bolygók III. osztály: P 2/P 1>30 Hierarchikus rendszerek

Ia. osztály: Bolygók rezonáns pályákon Nagy tömegek, szoros és közeli pályák, nagy excentricitás Erős perturbációk Stabilitás csak rezonáns pályákon lehetséges Stabilitás kritikusan függ a pályaelemek pontosságától Nagy excentricitás eredete: planetáris migráció kölcsönhatás a bolygók és a csillag körüli gázkorong között Klay (2001, 2003), Papaloizou (2003)

Ia osztály: Bolygók rezonáns pályákon Star Period m. sin i a planets ratio (m_Jup) (AU) HD 82943 1. 99 1. 7 0. 75 c, b 1. 8 1. 18 GJ 876 c, b 2. 02 Period Eccentricity (days) 219. 5 0. 39 436. 2 0. 15 0. 597 1. 90 0. 13 0. 21 30. 38 60. 93 0. 218 0. 029 HD 128311 ~2 b, c 55 Cnc 2. 99 b, c(? ) 0. 44 2. 58 3. 24 0. 78 0. 22 1. 02 420. 5 0. 30 1. 74(? ) 919(? ) 0. 29 0. 115 14. 7 0. 02 0. 24 43. 9 HD 202206 5. 06 b, c 17. 5 2. 41 0. 83 2. 44 256. 2 1296. 8 0. 433 0. 28 HD 73526 2. 01 2. 9 0. 66 188. 3 0. 19

GJ 876 First resonant exoplanetary system: 2: 1 Marcy et al. (2001) Earth b: m=1. 90 MJ Venus c: m=0. 60 MJ Mercur Resonance variables: θ 1=λ 1 -2λ 2+ω1~0, θ 2=λ 1 -2λ 2+ω2~0, Δω=ω1 -ω2=θ 1 -θ 2~0 apsidal lines aligned, apsidal corotation Comparison: Io-Europa (Jupiter satellites) e 2: 1 resonance, θ 1~0, θ 2~180, Δω~180, apsidal lignes antialigned a [AU] Érdi & Pál (2002)

Ib osztály: Kis excentricitású, közel rezonáns párok Rezonanciákhoz közeli, kis periódusok Kis excentricitások Egy exobolygó-rendszer Három pulzár bolygó Star (PSR) Period ratio 1257+12 2. 63 1. 48 Mass a (m_Earth) (AU) 0. 02 4. 3 3. 9 0. 19 0. 36 0. 46 Period Eccentricity (days) 25. 262 66. 5419 98. 2114 -0. 0186 0. 0252

47 UMa Kis periódus arány(2. 38) Pályák viszonylag messze Jupiter Excentricitás kicsi Mars Kölcsönhatás nem olyan erős Egyetlen exobolygó-rendszer, mely hasonló a Naprendszerhez Közel rezonanciákhoz 5: 2 (or 7: 3, 8: 3) b: m=2. 41 MJ c: m=0. 76 MJ Psychoyos & Hadjidemetriou (2005): 5: 2 resonant symmetric periodic orbits Zhou & Sun (2004): apsidal secular resonance

II osztály: Kölcsönható bolygók Star planet Period ratio mu Ara b c 4. 63 55 Cnc e b 5. 2 m. sin i (m_Jup. ) a (AU) Period (days) 645 2986 Eccentricity 1. 67 3. 1 1. 50 4. 2 0. 20 0. 6 0. 045 0. 78 0. 038 0. 115 2. 81 14. 7 0. 2 0. 02 Ups And b 52. 2 c 5. 29 d 0. 64 1. 79 3. 53 0. 058 0. 805 2. 543 4. 617 241. 16 1276. 15 0. 019 0. 27 0. 25 HD 12661 b c 5. 48 2. 30 1. 57 0. 823 2. 557 263. 6 1444. 5 0. 35 0. 20 HD 169830 b 9. 32 c 2. 88 4. 04 0. 81 3. 6 225. 62 2102 0. 31 0. 33 HD 37124 b 12. 7 c 0. 86 1. 0 0. 543 2. 952 153. 3 1942 0. 1 0. 4

Ups And Jupiter tömegek b 0. 69 MJ C 1. 89 MJ d 3. 75 MJ Két külső bolygó c, d: apszisvonal libráció ~0, A~47 fok (Libert & Henrard 2006) Mars

III. osztály: Hierarchikus rendszerek Star Period ratio HD 168443 29. 9 b, c m. sin i (m_Jup) 7. 7 16. 9 a (AU) 0. 29 2. 85 Period Eccentricity (days) 58. 116 0. 529 1739. 5 0. 228 HD 74156 b, c 39. 2 1. 86 6. 17 0. 294 51. 643 3. 40 2025 0. 636 0. 583 HD 11964 b, c mu Ara d, b 51. 3 0. 11 0. 70 0. 044 1. 67 0. 229 37. 82 3. 167 1940 0. 09 9. 55 1. 50 645 0. 15 0. 3 0 0. 24 43. 9 5. 26 4517 0. 129 14. 309 3. 68 2174. 3 0. 44 0. 3 0. 29 0. 36 55 Cnc c, d HD 38529 b, c 67. 5 103 151. 9 0. 22 3. 91 0. 78 12. 7

Feltételezett Föld-típusú bolygók stabilitásának vizsgálata Jones et al. (2001, 2005, 2006), Menou & Tabachnik (2003) Sándor, Süli, Érdi, Lohinger, Dvorak (2006) Stabilitási térképek sok millió kezdőfeltételre Alkalmazásai: • a pályaelemek változása esetén is ismert a stabilitás • új rendszerek pályaadatainak dinamikai realitása • ismert exobolygó-rendszerek lakhatósági zónájának stabilitása Dynamical modell: elliptic RTBP Methods: RLI, FLI, MEM

Lakhatósági zóna: Víz folyékony halmazállapotban

Belső rezonanciák marginálisan stabil

Belső rezonanciák részben stabil

Külső rezonanciák erősen kaotikus marginálisan stabil részben stabil

Külső rezonanciák erősen kaotikus

Köszönöm a figyelmet! Van Gogh: Éj a Rhone-on (Arles, 1888)

Trójai exobolygók? Naprendszerben sok példa L 4 körüli mozgásra sok ezer Trójai kisbolygó Mars és Neptunusz Trójai kísérői

Trójai bolygók exobolygó rendszerekben? Első tanulmámyok: Laughlin & Chambers (2002) Nauenberg (2002) Keletkezési elméletek: Laughlin & Chambers (2002) Chiang & Lithwick (2005) Thommes (2005) Cresswell & Nelson (2006) Beaugé, Sándor, Érdi , Süli (2007, A&A 463, 369) Morbidelli et al. (2005)

Megfigyelések: RV, asztrometria, átvonulási fotometria Gozdziewski & Konacki (2006) HD 128311, HD 82943 2: 1 rezonanciában de 1: 1 lehetséges HD 73526 2: 1 rezonanciában (Tinney et al. 2006) de 1: 1 lehetséges Ford & Gaudi (2006), Ford & Holman (2007) RV és átvonulási fotometria kombinálása Stabilitási vizsgálatok: Érdi, Sándor (2005, Ce. MDAm 92, 113) 9 rendszer Dvorak et al. (2004) Schwarz et al. (2005, 2007) Ji et al. (2005) 47 UMa Ji et al. (2007) HD 69830 hármas rendszer

R. Schwarz (www. astro. univie. ac. at/adg) e=0

e=0. 05

e=0. 1

Határoló görbe: Danby (1964), Meire(1981) Ábra újdonsága: stabil tartomány méreteloszlása Kapcsolat rezonanciákkal?

Resonant curves: B 2: 1 μ=0. 013516… B 3: 1 μ=0. 024293… Deprit and Deprit (1967) non-linear instability of L 4 in the circular RTBP A 2: 1 stronger than B 3: 1 B 11 is from Tschauner (1971) analytical solution